1. 서 론

LED의 물리적 특성에 따르면 LED에서 발생하는 광속은 LED에 흐르는 전류량에 비례한다. 따라서 LED의 밝기를 조절하기 위해서는 LED에 흐르는 전류량을 제어해야 한다. 또한, LED의 순방향 전압이 일정 크기 이상이 되면 LED의 임피던스가 급격히 변하여 LED에 흐르는 전류량이 급격히 변동하는 특성이 있으며, PN 접합부의 온도가 상승함에 따라 LED의 임피던스는 감소하는 특성이 있기 때문에 LED를 정전압으로 구동하는 경우 LED의 온도를 일정 이하로 유지시키지 못하면, LED가 가열되고 LED의 임피던스가 낮아져 초기 전류에 비하여 더 많은 전류가 흐르게 된다. 이에 따라 LED의 가열이 가속화되어 더욱 더 많은 전류가 흐르게 되는 폭주현상이 발생하여 LED가 파손되는 경우가 발생하기도 한다.

따라서 최소한 LED와 직렬로 저항을 삽입해 전류량에 따른 수하특성을 이용하여 LED에 흐르는 전류가 많아질수록 LED에 걸리는 순방향 전압이 낮아지게 함으로써 LED의 파손을 보호해야 한다 ⁽¹⁾. 이 경우 직렬로 삽입하는 저항에 의해 손실이 발생하게 된다는 단점이 있다. 이에 각종 장비들의 모니터링에 사용되는 소위 발광 다이오드를 이용한 디스플레이 분야 혹은 현관 등의 출입구, 계단, 지하주차장, 엘리베이터 등에 사용하는 저가의 센서등을 제외하면 저항을 이용하는 LED 구동회로 대신 정전류 IC를 이용하거나 정전류 출력의 SMPS를 이용하여 LED를 구동하는 것이 일반적이다.

한편, LED 조명의 조광제어 방식은 정전류 방식과 PWM 방식으로 구별되는데 정전류 조광제어 시에는 작은 전류영역에서 색온도의 천이가 발생하는 문제가 있고, PWM 조광제어 시에는 플리커가 발생하는 문제가 있다 ^(2)-(6). 약 70Hz 이상의 플리커는 사람의 시각으로는 인지하지는 못한다. 그러나 사람이 인지하지는 못할지라도 플리커의 주파수가 낮을수록 인체에는 좋지 않는 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다 ^(7),(8). 또한, LED 조명환경에서 카메라를 이용하여 정지화상 또는 동영상을 제작하는 경우, 색온도의 변화는 그대로 이미지에 표현되며 조명 플리커의 발생은 카메라 이미지의 명도 차이를 가져온다. 따라서 카메라를 사용하여 정지화상 또는 동영상을 촬영하는 방송국 등의 스튜디오 조명에 있어서는 두 가지 방식 모두 단점을 갖는다. 이를 극복하고자 두 가지 방식을 혼합하는 방법이 제안되는 등 LED 조명의 플리커 저감 기술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다 ^(9)-(17).

본 논문에서는 정전류 방식에 비하여 구현이 용이하고 빠른 응답특성을 얻을 수 있다는 장점을 갖는 PWM 조광제어 방식의 단점인 플리커 문제를 해결하기 위하여, 먼저 PWM 디밍 LED 조명 환경에서 카메라 노광량 변동원인을 분석하고, 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 PWM 주파수 및 듀티와 카메라의 노출시간과 촬영시점 혹은 동영상 촬영 시의 프레임 레이트 등에 따라 나타나는 이미지의 밝기 편차를 고찰하였다 ^(18)-(20). 그 결과로써 PWM으로 LED 조명을 제어하는 경우 플리커에 의한 영향을 제거할 수 있는 PWM 주파수 선정 방안을 도출하였으며, 차세대 반도체인 GaN HEMT를 사용한 LED 드라이버를 제안하고 실험을 통하여 MHz 대역에서의 PWM 디밍 특성을 평가하였다 ^(21),(22). 실험 결과, 제안하는 LED 드라이버를 이용하여 고속의 PWM을 행하는 경우 초고속 촬영 동영상에서도 이미지 플리커 문제가 발생하지 않음을 확인하였다.

2. LED 조명의 PWM 디밍이 카메라 이미지에 미치는 영향

LED는 타 광원과는 달리 LED에 흐르는 전류에 대한 광응답 속도가 매우 빠르기 때문에 PWM으로 제어하는 경우 PWM 주기마다 발광이 단속된다. 이에 따라 주변 환경에 타 광원이 없는 경우 카메라의 동작상태에 따라 노광량이 변동하게 되어 카메라 이미지의 밝기가 촬영시점에 따라 달라진다. 이러한 사항을 구체적으로 고찰하기 위하여 PWM 디밍되는 LED 조명만의 환경과 글로벌 전자식 셔터를 고려한다. 또한 LED의 광속은 LED에 흐르는 전류에 정비례하고, PWM 구현에 사용되는 LED 드라이버는 이상적인 것으로 가정하여 LED 조명의 PWM 주파수 및 듀티와 카메라의 노출시간 및 셔터의 구동시점과 더불어 동영상의 경우에는 프레임 레이트에 따른 카메라 노광량 변동 특성을 살펴보기로 한다.

3. 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용한 노광량 변동 특성 평가

모든 사항을 이상적인 것으로 가정한 후 카메라의 셔터가 열리는 순간을 시간 영점으로 하고, LED 조명의 PWM 주파수를 $f_{p}$, 주기를 $T_{p}$, 듀티를 $D_{p}$, 처음으로 PWM 신호가 High가 되는 시간을 $t_{d}$, PWM에 의하여 발생하는 LED 조명에 의해 카메라로 입사되는 빛의 광도를 $I$ 라고 하면, 카메라로 입사되는 빛은 주기함수 이므로 퓨리에 급수로 표시하면 다음과 같다.

여기서,

이다. 따라서 카메라의 노출시간을 $T_{e}$라고 하면 카메라에 입사되는 광량 E는 다음과 같이 표현된다.

식 (5)를 이용하여 카메라의 셔터속도, 구동시점 등의 카메라 변수와 PWM 주파수, 듀티 등의 LED 조명 변수에 따른 카메라 노광량 변동을 도출할 수는 있으나 여러 변수에 의한 특성을 간편하게 살펴보기 위하여 본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발, 상기한 변수들의 변화에 따르는 카메라 노광량 변동 특성을 평가하였다.

그림 6에 셔터속도, PWM 주파수 및 듀티, 셔터의 구동신호 및 PWM 신호와의 위상차를 변수로 하여 카메라의 노광량을 도출하는 시뮬레이션 프로그램 화면을 나타내었다. 먼저 파형 S는 셔터의 열림과 닫힘 상태를 나타내는 셔터구동신호이다. 다음 C는 셔터구동신호 S와 위상차를 갖는 PWM의 캐리어 신호이며, L은 LED의 발광 신호이다. 파형 I는 이미지 센서의 입사광을 나타내는 것으로 셔터가 열린 시간 동안에만 나타난다. 끝으로 파형 E는 센서의 입사광 I가 누적되는 것으로 셔터가 닫힐 때의 E값이 카메라의 노광량이 된다. PWM 듀티를 10 %에서 100 %까지 10 % 단위로 변화를 주고 또한 위상차를 0 도에서 360 도까지 1 도 단위로 변화를 주며 도출된 노광량을 데이터 파일로 저장하도록 프로그램을 작성하였다. 그림 6은 타원으로 표시한 바와 같이 셔터속도 1/60 초, PWM 주파수 200 Hz, PWM 듀티 50 %, 위상차 111 도 일 때 프로그램을 일시 정지시켜 캡처한 화면이다.

4. GaN HEMT를 이용한 LED 드라이버

앞서 고찰한 바와 같이 PWM 방식으로 LED 조명을 제어하는 경우의 단점인 플리커 문제, 특히 카메라를 이용하여 정지화상 또는 동영상을 촬영하는 응용분야에서 플리커로 인해 발생하는 문제점을 제거하기 위해서는 가능한 한 높은 주파수로 PWM을 행하는 것이 유리하다.

한편, 최근 차세대 전력용 반도체 소자로서 이슈화 되는 와이드 밴드갭 전력용 반도체 소자의 하나인 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)는 GaN과 AlGaN의 이종접합을 통해 형성되는 2DEG(Two-Dimensional Electron Gas) 구조를 이용한 고속 스위칭 소자로, 반도체의 전도대와 가전자대 사이의 에너지 밴드 갭이 실리콘에 비해 3배 정도 큰 값을 갖기 때문에 높은 접합온도에서도 반도체 특성이 매우 안정적이다. 또한 절대 전계 및 내압 측면에서도 실리콘 대비 대략 10배 정도로 높기 때문에 반도체 단위 셀의 집적도를 높이면서도 고내압을 얻을 수 있다. 한편, 응용분야에 따라 수 내지 수십 MHz대의 스위칭 속도도 구현 가능하므로 고전력밀도, 고정밀도가 요구되는 다양한 어플리케이션 및 스위칭 손실 저감이 요구되는 응용분야에 매우 유용하다. 이에 본 논문에서는 LED 조명을 MHz 대역의 주파수로 PWM을 하기 위해 그림 12에 나타낸 바와 같은 GaN HEMT를 이용한 LED 드라이버를 제안한다. 스위칭 소자로는 G사의 GaN HEMT를 사용하였으며 이의 스위칭 속도 관련 사양을 표 1에 나타내었다.

그림 13은 GaN HEMT의 구동회로를 나타내는 것으로 S사의 절연형 고속 게이트 드라이버 IC를 사용하여 6/-3 V 양극성 방식으로 구현하였다.

그림 14는 LED 드라이버 시작품의 외관으로, 가로 4.5 mm 세로 2 mm 크기의 PCB에 스위칭 소자인 GaN HEMT와 게이트 구동회로를 구성하였으며 보드 뒷면에는 9 V, 1.2 W 절연형 DC/DC 컨버터와 환류 다이오드가 장착되어 있다. 제작된 LED 드라이버는 MHz급 고속 스위칭에도 불구하고 스위칭 손실이 작아 kW급 LED 보드도 방열판 없이 구동이 가능하다.

5. 실험 결과 및 고찰

GaN HEMT를 이용한 고주파 PWM LED 드라이버의 디밍 특성을 평가하기 위한 실험에는 3가지의 LED 보드를 사용하였으며, 이에 대한 사양을 표 2에 나타내었고 그림 15에 이들의 외관을 나타내었다. 보드 C의 경우에는 조명으로서는 다소 큰 용량인 kW급이라 COB(Chip On Board) 타입의 LED 모듈을 사용한 것으로 그림 15의 (c)에는 해당 COB의 외관을 함께 도시하였다.

먼저, 그림 16는 LED 보드 A와 B의 스위칭 주파수 별 PWM 듀티에 따른 조도 특성 측정 결과를 나타내는 것이다.

실험은 PWM 듀티를 5 %단위로 듀티를 가변하며 조도를 측정하였으며, 그림의 횡축은 PWM 듀티, 종축은 최대 조도에 대한 비로 단위화 된 조도를 나타낸 것이다.

55.5 V, 40 W 정격인 보드 A의 경우 PWM 주파수가 1.6 MHz 까지는 전체 디밍 구간에 걸쳐 거의 완전한 선형성을 보이나 2 MHz 구동에서는 듀티 5 %에서 95 % 범위에서 선형성을 나타내었다. 이하 4 MHz 구동까지는 듀티 10 %에서 90 % 범위에서만 선형성이 유지됨을 알 수 있으며, 6 MHz 구동 시에는 듀티 20 %에서 80 % 범위에서만 선형성이 어느 정도 유지됨을 알 수 있다.

220 V, 170 W 정격인 보드 B의 경우도 보드 A와 유사한 특성을 보이나 보드 A에 비하여 조도 선형 특성은 다소 떨어짐을 확인할 수 있다.

그림 16에서 PWM 주파수가 4.8 MHz 이상일 때 5 %의 듀티에서 조도가 영인 이유는 다음과 같다. 먼저, 실험에 사용한 DSP의 시스템 클럭은 192 MHz 이다. 따라서 PWM 제어 시 프로세서가 제어 할 수 있는 최소 펄스 폭은 대략 5.20833 nsec로 계산된다. 한편, 그림 17의 (a)에 나타낸 바와 같이 두 펄스, 즉 약 10.4 nsec의 폭을 갖는 펄스에 대해서는 실험에 사용한 게이트 구동회로가 반응을 하지 못해 주 스위칭 소자의 구동이 불가능 하였다. 따라서 실험에서는 최소 세 펄스 즉, 최소 약 15.6 nsec 이상의 펄스에 대해서만 실제로 LED가 구동되었기 때문이다.

마찬가지의 이유로 PWM 주파수가 2.4 MHz 이상일 때 95 % 혹은 90 %의 듀티에서 조도가 듀티 100 %일 때와 동일하게 나타난 것 역시 그림 17의 (b)에 나타낸 바와 같이 오프 펄스폭이 약 20 nsec 이상은 되어야만 게이트 구동회로가 반응을 했기 때문에 나타난 현상이다. 이는 GaN HEMT 구동회로에 고속의 게이트 구동 IC를 적용하기는 했으나 이는 절연형으로 구동 IC 내부의 포토커플러 등의 반응 시간이 다소 느렸기 때문으로 판단된다. 따라서 GaN 소자의 속도가 아무리 빠를지라도 이의 성능을 십분 활용하기 위해서는 고속의 게이트 구동회로를 적용해야 함을 시사해 준다.

그림 18에 PWM 주파수별 듀티 50 %일 때의 LED 구동 파형을 도시하였다. 구동 특성이 보드에 따라 차이는 있었으나 두 경우 모두 6 MHz 구동 시에는 온 펄스 폭이 오프 펄스 폭 보다 크게 나타났는데 이는 게이트 구동회로 및 GaN HEMT의 턴 오프 지연시간이 턴 온 지연시간 보다 약 10 nsec 길었으며 fall time도 rise time 보다 약 10 nsec 길었기 때문에 나타난 현상으로 판단된다.

그림 19에 420 V, 1360 W 정격의 LED 보드 C를 400 V, 1 kW, 1 MHz로 구동하였을 때 PWM 듀티에 따른 디밍 특성을 나타내었다. 90 % 듀티까지만 어느 정도 선형성을 보이고 듀티 90 % 일 때와 듀티 100 % 일 때는 많은 차이가 남을 알 수 있다. 그림 20에 나타낸 바와 같이 LED 보드 C의 경우에는 그림 18의 (a-1)과 (b-1)에 나타낸 보드 A, 보드 B의 경우와는 달리 1 MHz 구동 특성에서 LED 전류의 상승 시간 길어짐에 따라 듀티 지령에 못 미치는 구동이 이루어졌기 때문으로 판단되는 바, 이는 COB 모듈이 갖는 인덕턴스 성분 등 LED 보드의 차이에 기인한 것으로 향후 연구를 통하여 개선해야 할 사항이다.

이제 고속으로 PWM되는 LED 조명의 플리커 특성을 평가하기 위하여 카메라를 이용하여 수행된 실험 결과를 살펴보기로 한다.

타 광원은 모두 차단을 하고 PWM 방법으로 조광제어 되는 LED 조명만으로 조명환경을 구성하였으며, 실험에 사용한 카메라는 960 fps의 초고속 동영상 촬영이 가능한 S사의 스마트폰에 내장된 카메라를 이용하였다. 이 카메라는 전술한 이론적 고찰 및 시뮬레이션에서 가정한 글로벌 셔터가 아닌 CMOS 이미지 센서를 이용한 롤링 셔터 기능의 카메라이다. 따라서 촬영된 이미지에 나타나는 플리커는 글로벌 셔터 기능의 카메라보다 더욱 심하게 나타난다. 이는 오히려 본 논문에서 제안하는 고주파 디밍의 성능 평가에 효과적인 것으로 사료된다.

촬영된 화상의 플리커를 정량적으로 평가하기 위하여 그림 21에 나타낸 촬영용 피사체를 프레임 레이트 960 fps, 해상도 1280*720으로 고속촬영한 후 각 프레임을 BMP 파일로 추출, 그림 21에 검정 박스로 표시한 100*10 픽셀의 RGB 값을 이용하여 식 (11)에 나타낸 이미지 밝기(Luminosity)를 계산한 후 이의 평균치를 도출, 그 결과를 PWM 주파수별로 그림 22에 나타내었다. 그림 21에서 화살표로 표시된 부분은 피사체 벽과 바닥의 경계로 인하여 발생한 선이다.

그림 22의 가로축은 프레임 번호이며 세로축은 400장의 이미지 밝기의 평균치로 정규화 시킨 밝기를 나타내는 것이다. 이는 PWM 듀티를 플리커가 가장 심하게 나타나는 50 %로 LED를 구동한 상태에서 측정한 결과이다.

PWM 주파수가 1 kHz인 경우에는 매우 심한 플리커가 있음을 알 수 있다. PWM 주파수가 10 kHz인 경우에도 이미지 밝기가 +/- 1 % 정도 변동 있음을 알 수 있다. 이들을 시각적으로 확인하기 위하여 그림 23에 PWM 주파수가 1 kHz인 경우와 10 kHz인 경우 연속된 이미지들을 나타내었다. 10 kHz 구동의 경우에도 상당한 플리커가 있음을 확인할 수 있다.

그러나 PWM 주파수가 100 kHz에서는 그림 22에 나타낸 바와 같이 낮은 주파수 성분으로 약간의 맥동을 보임을 확인할 수는 있으나 그 변동폭이 작아 실제 동영상 재생 시에는 이미지 플리커를 인지할 수 없었다.

PWM 주파수가 1 MHz 혹은 5 MHz인 경우는 DC 구동 즉 LED 조명을 PWM하지 않고 직류 전원으로 구동한 조명환경에서 촬영한 경우와 특별한 차이가 없었다. 이들의 경우 +/- 0.1 % 이내의 폭에서 이미지 밝기가 변동하였는데 이는 측정 노이즈 수준으로 평가되며, 실제 동영상 재생 시 아무런 플리커도 인지할 수 없었다.

그림 24에 1 MHz 구동 시 프레임 컷을 나타내었다. DC 조명환경에서 촬영된 그림 21과의 차이점을 찾을 수 없다.

이를 좀 더 구체적으로 확인하기 위하여 그림 25에 PWM 주파수를 1 MHz로 하였을 때의 2, 3, 5, 7, 11, 13번째 프레임의 이미지 및 이의 명도 채널의 히스토그램을 나타냈었다. 2, 3, 5, 7, 11, 13번째 프레임을 선택한 이유는 그림 11에 나타내었듯 동영상 이미지의 플리커는 일정 주기로 반복되는 경향을 나타내기 때문에 서로 배수가 되지 않는 프레임을 선별하기 위해서이다. 6개 프레임 모두 플리커 현상을 육안으로 구별할 수 없고 히스토그램 역시 거의 완벽하게 일치함을 확인할 수 있다.

세부적인 히스토그램 데이터를 표 3에 나타낸 바, 전체 이미지의 명도 평균치가 소수 둘째 자리에서의 차이가 있기는 하나 이는 동일한 영상을 동일한 조건에서 촬영할 지라도 충분히 나타날 수 있는 수준으로, 제시한 6장의 프레임의 히스토그램 평가 결과로써 해당 동영상 이미지에는 플리커가 없다고 판단하여도 무리가 없을 것으로 사료된다.

6. 결 론

본 논문에서는 PWM 디밍 LED 조명환경 하에서의 카메라 노광량 분석 및 동영상 플리커에 대한 특성을 분석하고, LED 조명을 PWM으로 제어하면서도 이미지 플리커 현상을 극복하기 위하여 GaN HEMT를 이용한 고속 PWM LED 드라이버를 제안하였으며, 이의 PWM 디밍 특성에 대하여 고찰하였다. 실험을 통하여 55.5 V, 40 W LED 보드와 220 V, 170 W LED 보드의 경우 MHz 대역의 PWM 디밍에서도 우수한 선형적인 조도제어 특성을 보임을 확인하였다. 또한 MHz 대역의 PWM 디밍 시에는 960 fps의 고속 동영상에서도 플리커 현상이 전혀 발생하지 않음을 확인하였다. 향후 연구과제로는 420 V, kW급 LED 보드의 경우에 있어서도 PWM 주파수가 MHz 대역의 디밍 영역에서도 선형적 특성을 가질 수 있도록 LED 보드 및 구동회로를 수정, 보완하는 것과 MHz급의 고주파 PWM에 따르는 EMC/EMI에 대한 검토를 행하고 그 대책을 수립하는 것 등이다.